检索结果-内蒙古大学图书馆

计算力学学报 2022年第3期39卷 332-340页

作者：王利民付少童中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京100190 中国科学院大学化学工程学院北京100049

介绍Euler-Lagrange框架下基于格子Boltzmann方法LBM(Lattice Boltzmann Method)发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的颗粒流体系统离散模拟方法,即格子Boltzmann颗粒解析直接数值模拟(LB-based PR-DNS)方法和格子Boltzmann离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法,总结了Euler-Euler框架下基于格子Boltzmann双流体模型(LB-based TFM)方面的探索研究。LB-based PR-DNS方法中颗粒尺寸远大于格子步长,能够直接解析出流体在颗粒表面的流动以及颗粒所受完整的动力学信息;LB-based DPS方法中格子步长远大于颗粒直径,其在计算精度、时间耗费和计算效率之间能达到很好的平衡,可获得流体的宏观平均流动及颗粒的运动轨迹信息。LB-based DNS和DPS是探索颗粒流体系统的有力手段,但LB-based TFM应用于模拟颗粒流体系统仍需进一步探索。

关键词：颗粒流体系统格子Boltzmann方法颗粒解析直接数值模拟离散颗粒模拟双流体模型

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甲醇制烯烃流化床反应器离散模拟

甲醇制烯烃流化床反应器离散模拟

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作者：刘星池中国科学院大学

学位级别：博士

甲醇制烯烃(Methanol-to-olefins，MTO)是重要的烯烃制取途径。然而，目前MTO反应器放大多依赖逐级放大的实验方法，不仅时间和经济成本较高，而且难以获得反应器设计所需的某些关键信息，例如催化剂的停留时间分布对积碳的影响。数值... 详细信息

甲醇制烯烃(Methanol-to-olefins，MTO)是重要的烯烃制取途径。然而，目前MTO反应器放大多依赖逐级放大的实验方法，不仅时间和经济成本较高，而且难以获得反应器设计所需的某些关键信息，例如催化剂的停留时间分布对积碳的影响。数值模拟已成为辅助MTO反应器研发的重要方法，但在具体应用中面临着热态过程预测精度和模拟时空尺度的巨大挑战。例如，在MTO反应中轻烯烃的选择性取决于催化剂的焦炭含量，但是缓慢的积碳过程导致催化剂需要在反应器中经过小时级的停留时间才能实现较优的积碳分布。因此，亟需实现一种高精度高效率的模拟方法以满足MTO反应器催化剂尺度长时间模拟的需求。　　本论文在EMMS-DPM(EnergyMinimizationMuti-scale-DiscreteParticleMethod)粗粒化模型的基础上引入了传质、传热和MTO反应动力学模型，实现了MTO热态反应过程的离散模拟方法。在CPU-GPU气固流动离散模拟平台的基础上，采用GPU加速计算气固相间作用和反应，大幅提高了离散模拟方法的时空尺度，从而满足不同尺度的MTO反应器热态过程长时间颗粒尺度的模拟。　　实现了DMTO（中国科学院大连化学物理研究所研发的MTO工艺）中试反应器8小时物理时间的离散模拟，气相产物和催化剂积碳量与实验值吻合较好，验证了物理模型和计算方法的正确性。直接通过催化剂颗粒的运动信息构建了其积碳分布和年龄分布之间的关联，发现62.4％的催化剂的积碳含量未达到最优值，而且在反应器的分布板附近存在催化剂混合不均的情况，由此导致即使在较大的时间尺度甲醇反应速率依然存在较大的波动。因此，催化剂的应用、分布器的结构和甲醇的进料方式存在进一步优化的空间。　　在DMTO工业性试验反应器的模拟中发现，由于适用温度范围更宽，MTO双循环反应动力学模型的预测性较优。基于中试装置的优化方向，调整催化剂的循环量、重时空速和催化剂预积碳量，以期提高DMTO工业性试验反应器的轻烯烃选择性。每个工况实现了3小时物理时间的模拟，结果表明:减小催化剂循环量可以提高轻烯烃选择性;重时空速在3.0gMeOH/(gcath)时轻烯烃选择性最优;催化剂预积碳量在0-2.0g/100gcat范围时，乙烯选择性随预积碳的增加而提高，原因在于较高的预积碳有利于活性催化剂集中于乙烯选择性较高的积碳区域。　　在DMTO工业反应器局部区域中温度波动较大且催化剂存在粒径偏析，可能影响反应器的稳定生产和整体反应效率。结合不同产能的需求提出了反应器规模、甲醇通量和催化剂粒径的调整方案。结果表明:减小反应器尺寸能够有效减小温度波动和夹带催化剂中大颗粒的比例;减小甲醇通量能够减小温度波动和催化剂夹带量;增加小粒径催化剂比例使反应效率更高且轴向压降下降，因此有利于增加反应器运行的稳定性并降低能耗。　　综上所述，本论文通过长时间离散模拟研究了三个尺度DMTO反应器的运行状态并提出了部分操作条件优化方法。这一模拟方法能较好地拓展至其他气固两相流体系。在进一步工作中，一方面需对MTO反应动力学精度进行提升以适用于更宽的操作条件，另一方面需对DPM计算速度进行优化以实现工业反应器实时模拟。

关键词：气固流态化离散颗粒模拟甲醇制烯烃焦炭概率密度分布反应器放大模拟

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气固两相流及团聚物动态结构的PIV测量和DPM模拟耦合表征

气固两相流及团聚物动态结构的PIV测量和DPM模拟耦合表征

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作者：董晓运中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

本文采用气固两相粒子图像测速技术(PIV)和离散颗粒模拟(DPM)方法对流化床内的气固两相非均匀流动进行了实验和模拟耦合研究。本文定量分析了操作条件对气固流动的影响,验证了基于浓度梯度的颗粒团聚物识别方法,并通过PIV测量和DPM模拟... 详细信息

本文采用气固两相粒子图像测速技术(PIV)和离散颗粒模拟(DPM)方法对流化床内的气固两相非均匀流动进行了实验和模拟耦合研究。本文定量分析了操作条件对气固流动的影响,验证了基于浓度梯度的颗粒团聚物识别方法,并通过PIV测量和DPM模拟耦合对颗粒团聚物的动态演化进行定量表征。主要研究内容和研究结论如下:主要对气固两相流动结构、测量方法、数值模拟方法以及团聚物特性进行了文献综述,并在此基础上提出本课题的研究内容。通过PIV实验研究了流化床中的非均匀流动现象,探究了入口气体流量、进料量、颗粒粒径等因素对轴径向分布的影响。实验发现气速对颗粒浓度和速度的影响较大,而颗粒循环量影响较小,而颗粒粒径的不同会明显影响速度场的分布。进一步验证了基于浓度梯度的颗粒团聚物识别方法。以浓度梯度均值作为全局判断阀值,计算过程简便、结果比较可靠。对同一流场分别采用Soong公式和浓度梯度法对流场稀密两相进行识别,结果表明浓度梯度法具有更高的识别效率和准确度。建立了PIV测量和DPM模拟耦合研究框架。通过PIV获取的浓度和速度初场对DPM进行实时校正,从而极大的提高模拟的可靠性。基于该方法对气固流化床中的团聚物结构和动态演化行为进行了定量研究,并对颗粒受力、稀密相颗粒温度等重要参数进行了讨论分析。

关键词：气固流化床粒子图像测速离散颗粒模拟颗粒团聚物动态结构

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颗粒流体系统格子Boltzmann模拟及其最新应用

颗粒流体系统格子Boltzmann模拟及其最新应用

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第三届全国颗粒材料计算力学会议

作者：王利民中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京 100190

颗粒流体系统模拟方法主要分为Euler-Euler法和Euler-Lagrange法.本文介绍基于格子Boltzmann(LB)框架下发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的Euler-Lagrange法,即格子Boltzmann基直接数值模拟(LB-based DNS)方法和格子Boltzmann基离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法.LB-based DNS方法中颗粒尺寸比格子步长约大1个量级,能对颗粒周围流体的流动及其与颗粒表面的相互作用进行直接模拟,产生详细的颗粒-流体相互作用动力学信息.与LB-based DNS的不同,LB-based DPS方法中格子步长比颗粒直径约大1个量级,不仅能获得颗粒运动轨迹等局部信息,还可获得流体的平均流场等宏观信息.应用颗粒流体系统格子Boltzmann模拟方法开展的一些典型颗粒流基础及应用研究,结果表明LB-basedDNS是一种探索颗粒流体系统微观信息的有力手段,LB-based DPS方法在计算精度和计算效率之间能达到很好的平衡.

关键词：颗粒流体系统格子Boltzmann方法 Euler-Lagrange法直接数值模拟离散颗粒模拟

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